Badanie procesu formowania się czarnej dziury

Niektórzy uważają, że galaktyki karłowate są kapsułami czasu, ale uważa się, że zamiast starych zapisów zachowują one nasiona czarnych dziur powstałych we wczesnym Wszechświecie. Dzieje się tak, ponieważ większość galaktyk karłowatych wykrytych w pobliskim Wszechświecie nie wykazuje oznak interakcji ze swoimi galaktycznymi sąsiadami, pozostawiając te stosunkowo małomasywne zbiorowiska gazu, pyłu i gwiazd ewoluujące w izolacji. Bez zanieczyszczenia z innych galaktyk astronomowie mogą traktować te galaktyki karłowate jako nieskazitelne zbiorniki z przeszłości Wszechświata. A zatem, analizując rozmieszczenie i masy czarnych dziur w galaktykach karłowatych, astronomowie mogą mieć nadzieję, że rzucą trochę światła na to, jak one powstały.

W dyskusji dominują dwa mechanizmy powstania: albo czarne dziury powstały w wyniku zapadnięcia się wczesnych generacji gwiazd, znanych jako gwiazdy populacji III, albo powstały w wyniku bezpośredniego zapadnięcia się gazu i pyłu. Gdyby dominował pierwszy mechanizm, spodziewalibyśmy się znaleźć dużą liczbę czarnych dziur o małej masie, podczas gdy przewiduje się, że drugi mechanizm wytworzy znacznie mniejszą liczbę nasion o większej masie. Niestety galaktyki karłowate są znacznie słabsze niż ich odpowiedniki o większej masie, więc trudno je wykryć. Jeszcze większym wyzwaniem są często niewidoczne czarne dziury w ich wnętrzach.

Łatwiejszym sposobem wykrywania tych czarnych dziur jest oczekiwanie, że akreują materię i emitują ogromne ilości promieniowania, zamieniając je w źródło znane jako aktywne jądro galaktyczne (AGN). W ciągu ostatniej dekady nastąpił ogromny wzrost liczby AGN wykrytych w galaktykach karłowatych. Autorzy pracy starają się umieścić niektóre z tych AGN na dobrze znanej relacji dyspersji masy i prędkości, aby spróbować uzyskać wgląd w to, jak czarne dziury mogły powstać we wczesnym Wszechświecie.

Poprzednia praca, na której opierają się autorzy, pobiera galaktyki z atlasu Sloan NASA i identyfikuje wszelkie znajdujące się w nim AGNy za pomocą diagnostyki BPT (nazwanej na cześć jej twórców: Baldwina, Phillipsa i Terlevicha). Technika ta polega na porównaniu stosunku dwóch par linii emisji optycznej w celu określenia, czy widmo galaktyki macierzystej jest zdominowane przez procesy AGN, procesy formowania się gwiazd, czy też jest połączeniem obu. Ponadto obiekty musiały mieć szerokopasmową detekcję Hα, ponieważ są one wykorzystywane do obliczania masy czarnej dziury. Aspekty emisji Hα opisują zachowanie szerokopasmowego regionu (broad line region – BLR), silnie zjonizowanego wewnętrznego regionu galaktyki, w której znajduje się AGN. Pomiar jasności na całej szerokości linii Hα może być użyty do określenia promienia BLR i prędkości znajdującej się w nim materii. Na podstawie tych danych autorzy mogą obliczyć masę czarnej dziury. I na podstawie tych kryteriów zidentyfikowali osiem obiektów, które mają szerokopasmową emisję Hα i są klasyfikowane jako AGN lub złożone przez diagnostykę BPT.

Chociaż dyspersję prędkości można zmierzyć na podstawie linii Hα, ważne jest, aby wielkość ta była niezależna od masy czarnej dziury. Tak więc dla każdego z tych AGN autorzy wykorzystali spektrograf Keck II Echellette do pomiaru trypletu Mg Ib i, jeżeli to możliwe, trypletu Ca II. Tam, gdzie były dostępne obie linie, całkowity rozrzut prędkości obliczano przy użyciu średniej z obu pomiarów. Niestety, niektóre galaktyki zajmują przesunięcia ku czerwieni, które powodują znaczne zanieczyszczenie na długości fal Ca II, więc gdy dyspersja prędkości Ca nie była dostępna, używano wartości Mg Ib.

Najnowszy artykuł podwoił liczbę czarnych dziur w galaktykach karłowatych wykreślonych na podstawie zależności dyspersji masy i prędkości. Uderzające jest to, że wszystkie AGNy zidentyfikowane w próbie są zgodne z wykreślonymi relacjami. Znalezienie czarnych dziur o małej masie, które leżą w tych relacjach, może pomóc w rozszerzeniu zakresu mas, w którym, jak uważają autorzy, czarne dziury i ich galaktyki macierzyste bezpośrednio oddziałują. Dzisiejsze wyniki pokazują dalsze dowody sugerujące, że czarne dziury w galaktykach karłowatych oddziałują ze swoimi gospodarzami w podobny sposób. Dzięki tej wiedzy astronomowie mogą lepiej zrozumieć, w jaki sposób czarne dziury w całym spektrum mas rosną i oddziałują ze swoimi galaktykami.

Chociaż sam w sobie jest to cenny wynik, autorzy tej pracy byli również zainteresowani tym, co masy czarnych dziur mogą nam powiedzieć o ich powstawaniu we wczesnym Wszechświecie. Gdyby zapadanie się gwiazd zdominowało wczesne formowanie się czarnych dziur, to naukowcy spodziewali by się, że będą miały mniejszą masę. Z drugiej strony, gdyby dominował bezpośredni kolaps, spodziewali by się, że czarne dziury będą nadmiernie masywne. Niestety, fakt, że wszystkie te masy są zgodne z wykreślonymi relacjami, nie daje ostatecznej odpowiedzi, który mechanizm jest bardziej prawdopodobny.

Jednak autorzy pracy próbują wyciągnąć pewne wnioski z pojedynczej czarnej dziury i faktu, że ich wszystkie czarne dziury zostały znalezione, ponieważ były to ANGy. Jak wcześniej wspomniano, AGNy są czarnymi dziurami akreującymi materię z dużą szybkością, co nie tylko powoduje, że czarne dziury emitują promieniowanie, ale także prowadzi do wzrostu ich masy. Ze względu na akrecję autorzy pracy uważają, że tym, co wykryli, mogą być czarne dziury, które są bardziej masywne w porównaniu z resztą populacji czarnych dziur znajdujących się w galaktykach karłowatych. Zdaniem autorów, ekstremalnie niska masa czarnej dziury, która nie jest AGN, może być przykładem reprezentatywnym dla tej szerszej populacji czarnych dziur galaktyk karłowatych. Jeżeli to założenie jest poprawne, wskazywałoby na zapadnięcie się gwiazdy jako preferowany mechanizm powstawania we wczesnym Wszechświecie. Chociaż jest to intrygujący argument, nadal ma charakter spekulacyjny. Zanim będziemy mogli wyciągnąć mocne wnioski na temat tego, jak powstały czarne dziury we wczesnym Wszechświecie, konieczne będzie wykonanie wielu dalszych pomiarów, aby określić, czy te ekstremalnie niskie masy czarnych dziur są wyjątkiem, czy regułą.

Opracowanie:
Agnieszka Nowak

Źródło:
AAS

Vega

Dodaj komentarz

Twój adres email nie zostanie opublikowany. Pola, których wypełnienie jest wymagane, są oznaczone symbolem *